После создания им уже описанного ранее прибора «электромагнитного вращения» Фарадей (1821), убежденный во взаимосвязи и взаимопревращениях различных «сил природы», записал в своем дневнике: «Превратить магнетизм в электричество!» Потребовалось десять (!) лет упорнейшего труда, чтобы практически решить поставленную задачу. В течение этого времени Фарадей продолжал работать над своим самообразованием, изучая труды знаменитых физиков и химиков, стремясь познать секреты электромагнитных явлений.
В 1827 г. Фарадей был уже профессором и читал лекции в Королевском институте, которые вызывали всеобщий интерес. Но чем бы он ни занимался, все его мысли были о «превращении магнетизма в электричество». Современники вспоминают, что будто бы он носил в кармане небольшую спираль из медной проволоки и тонкий постоянный магнит и нередко устанавливал их в разные положения. Многие друзья и коллеги считали его чудаком.
В течение 10 лет день за днем Фарадей ставил опыт за опытом, тщательно записывая результаты в журнал. Опытов были тысячи, но «возбуждения электричества посредством магнетизма» достичь не удавалось.
Первый удачный опыт произошел 29 августа 1831 г.; он по праву вошел в историю науки. На деревянный или картонный цилиндр (рис. 5.7, а) наматывалась медная проволока 1, а между ее витками была намотана вторая проволока, изолированная хлопчатобумажной нитью 2. Первая спираль соединялась с сильной батареей из 100 пар пластин, вторая – с гальванометром. При замыкании и размыкании первичной цепи стрелка гальванометра отклонялась, т.е. во вторичной цепи возникал ток. Но если ток непрерывно протекал по первичной спирали – гальванометр оставался неподвижным. Почему? Такого явления ранее никто из физиков не наблюдал. Великий экспериментатор долго оставался наедине со своими сомнениями. Когда внутрь спирали, включенной во вторичную цепь, Фарадей поместил стальную иглу (рис. 5.7, б), она при возникновении индуктированного тока так же намагничивалась, как и от тока гальванической батареи. Следовательно, индуктированный ток не отличается от обычного тока.
Рис. 5.7. Схемы опытов Фарадея (по рисункам Фарадея)
Было очевидно, что действие первой спирали на вторую осуществлялось через окружающую среду. А каково ее влияние? Заменив картонный цилиндр железным кольцом (рис. 5.7, в), Фарадей отметил, что стрелка гальванометра откланялась на больший угол. Значит, среда, окружающая проводник с током, играет активную роль и усиливает явление индукции. Кстати, отметим, что в опыте с железным кольцом можно увидеть прообраз простейшей конструкции трансформатора.
Логика рассуждений подсказывала, что при замыкании и размыкании цепи возникало и исчезало магнитное поле, создаваемое током. Но ведь изменение магнитного поля можно осуществить и без электрического тока, применяя обыкновенные постоянные магниты. Обмотав железный цилиндр медной изолированной проволокой, соединенной с гальванометром (рис. 5.7, г), и поместив цилиндр между концами двух постоянных стержневых магнитов, соприкасавшихся другими разноименными полюсами, Фарадей установил, что при смыкании и размыкании концов магнитов, стрелка гальванометра отклонялась.
Это явление Фарадей назвал «магнитно-электрической индукцией», в отличие от первых наблюдений, названных «вольта-электрической индукцией». Подчеркивая, что принципиальной разницы между этими явлениями нет, он позднее их называл «электромагнитной индукцией».
Через две недели, в октябре 1831 г., Фарадей проводит самый убедительный эксперимент, подтверждающий «превращение магнетизма в электричество». На картонную катушку была намотана спираль из медной проволоки, включенная в цепь с гальванометром (рис. 5.7, д). И когда он «быстрым движением втолкнул магнит внутрь спирали», стрелка гальванометра отклонилась. При быстром «вытаскивании» магнита стрелка отклонилась в обратную сторону. «Значит, – писал Фарадей, – электрическая волна возникает при движении магнита».
А через несколько дней Фарадей наглядно объясняет еще одно «загадочное» явление, открытое в 1824 г. Араго, названное им «магнетизмом вращения». История этого открытия весьма любопытна. Араго поручил парижскому мастеру изготовить для него большой компас и поместить его в футляр – медную коробку (так как медь – «немагнитный» материал). Когда же Араго стал открывать крышку коробки, ему показалось, что стрелка компаса отклонилась. Это было невероятно: наверное, подумал Араго, в медной крышке есть примеси железа, и оно взаимодействует с магнитной стрелкой. Но когда, по настоянию Араго, был сделан анализ металла – примесей железа не оказалось. Повторные опыты подтвердили первые наблюдения. Никто из физиков, даже Ампер, не могли объяснить это явление. Также и Фарадею много лет физическая суть этого явления «не давала покоя».
Сам Араго, пытаясь выяснить причину взаимодействия медной крышки с магнитной стрелкой, решил изготовить «приборчик», в котором, возможно, обнаружится аналогичное явление. Но он предположил, что если вращение медной крышки, вызывает поворот магнитной стрелки, то вращение магнита должно увлечь за собой медный диск (рис. 5.8). Опыт подтвердил догадку ученого: при вращении магнита 1 медный диск 2 начинал вращаться в ту же сторону. Недоумению ученых не было предела: почему взаимодействие магнита и диска возникает только при вращении магнита?
Рис. 5.8. Схема опыта Араго:
1 – магнит; 2 – медный диск
Фарадей, опираясь на открытое им явление электромагнитной индукции, не только объяснил причину вращения диска, но и указал на возможность практического использования опыта Араго. «Получив электричество из магнита, – писал Фарадей, – я полагаю, что опыт г-на Араго может стать новым источником получения электричества, и надеюсь, что… мне удалось сконструировать электрическую машину».
Опыт заключался в следующем. Фарадей принес в лабораторию большой подковообразный электромагнит, хранящийся до сих пор в музее Лондонского королевского общества (рис. 5.9). К полюсам магнита он прикрепил «два стальных бруска» и в промежуток между ними ввел край медного диска. Край диска и его ось были соединены посредством щеток с гальванометром. При вращении диска стрелка гальванометра «показывала наличие в нем электрического тока… до тех пор, пока диск вращался». Это был первый в мире электромагиинный генератор («Диск Фарадея») – с него начинается история электрических машин. Действие генератора Фарадей объяснял так: медный диск можно представить в виде колеса с бесконечным числом спиц – радиальных проводников. При вращении диска эти спицы-проводники пересекают магнитные силовые линии, и в них возникает индуктивный ток.
Рис. 5.9. Большой подковообразный магнит из Лондонского музея (справа схема опыта Фарадея)
Запоздалое открытие Джозефа Генри
В истории науки есть немало примеров, когда выдающиеся открытия и изобретения делались почти одновременно учеными разных стран, ничего не знавшими друг о друге. Но то, что произошло осенью 1831 г. в Лондоне и главном городе штата Нью-Йорк – Олбани, поистине сенсационно.
Как уже отмечалось, электромагнитную индукцию Фарадей открыл 29 августа 1831 г., а в ноябре сообщил об этом Лондонскому королевскому обществу, а его статья с подробным описанием экспериментов была опубликована в 1832 г. в журнале «Philosophical Transactions», а затем в крупнейших физических журналах мира.
Судьбе было угодно, чтобы профессор физики Олбанской академии, впоследствии президент Американской академии наук – Джозеф Генри (1787-1878), ничего не знавший об открытии Фарадея, в ноябре 1831 г. (т.е. почти одновременно с Фарадеем) в письме к своему коллеге писал о своих экспериментах, «…касающихся тождественности электричества и магнетизма», т.е. возможности индуцировать электричество с помощью магнетизма. По неизвестным причинам Генри на девять месяцев прекратил свои опыты и только в июне 1832 г. писал, что «…добился успеха в очень интересном эксперименте по получению электрических искр из магнита», и вскоре, в июле 1832 г., его статья об этом открытии была опубликована. И уже после публикации своей статьи осенью 1832 г. Генри узнал о работах Фарадея, и, как писал один из его биографов, «ничто в жизни Генри не вызывало столь тягостных переживаний, как этот перерыв в его экспериментах». До этого Генри много лет занимался созданием мощных электромагнитов, и свой выдающийся эксперимент производил сразу с электромагнитом и катушкой, подключенной к гальванометру.
Схема опыта Генри для наблюдения электромагнитной индукции (рис. 5.10) удивительно напоминает опыты Фарадея. Генри был достаточно опытным экспериментатором, чтобы не повторить ошибки некоторых физиков: его помощник, будучи в другой комнате, включал и отключал батарею, а Генри наблюдал при этом отключение стрелки гальванометра. Известно, что швейцарский физик Колладон, также изучавший явления электромагнетизма, можно сказать, «стоял у порога» открытия электромагнитной индукции: он включал батарею и спешил в другую комнату, где стоял гальванометр, но к этому времени устанавливался стационарный процесс, и стрелка гальванометра оставалась неподвижной. Всю свою долгую жизнь (Колладон дожил до 96 лет) он упрекал себя за свою досадную ошибку.
